U prucessu di basi diSiCa crescita di cristalli hè divisa in sublimazione è decomposizione di materie prime à alta temperatura, trasportu di sustanzi in fase di gas sottu à l'azzione di gradiente di temperatura, è crescita di recristalizazione di sustanzi in fase di gas à u cristallu di sumente. Basatu nantu à questu, l'internu di u crucible hè divisu in trè parti: zona di materia prima, camera di crescita è cristallu di sumente. Un mudellu di simulazione numerica hè statu disegnatu basatu annantu à a resistiva attualeSiCequipamentu di crescita unicu cristallu (vede Figura 1). In u calculu: u fondu di ucrogiolehè 90 mm luntanu da u fondu di u riscaldatore laterale, a temperatura superiore di u crucible hè 2100 ℃, u diametru di particella di materia prima hè 1000 μm, a porosità hè 0,6, a pressione di crescita hè 300 Pa, è u tempu di crescita hè 100 h. . U grossu PG hè 5 mm, u diametru hè uguali à u diametru internu di u crucible, è si trova 30 mm sopra a materia prima. I prucessi di sublimazione, carbonizazione è recristalizazione di a zona di a materia prima sò cunsiderate in u calculu, è a reazione trà i sustanzi PG è a fase di gas ùn hè micca cunsideratu. I paràmetri di a pruprietà fisica ligata à u calculu sò mostrati in a Tabella 1.
Figura 1 Mudellu di calculu Simulation. (a) Modellu di campu termale per a simulazione di crescita di cristalli; (b) Divisione di l'area interna di u crucible è prublemi fisici cunnessi
Table 1 Certi paràmetri fisichi utilizati in u calculu
A Figura 2 (a) mostra chì a temperatura di a struttura chì cuntene PG (denotata cum'è struttura 1) hè più altu ch'è quella di a struttura senza PG (denotata cum'è struttura 0) sottu PG, è più bassu di quella di a struttura 0 sopra PG. U gradiente di temperatura generale aumenta, è PG agisce cum'è un agentu d'insulazione di u calore. Sicondu i figuri 2 (b) è 2 (c), i gradienti di temperatura axial è radiale di a struttura 1 in a zona di materia prima sò più chjuchi, a distribuzione di a temperatura hè più uniforme, è a sublimazione di u materiale hè più cumpleta. A cuntrariu di a zona di a materia prima, a Figura 2 (c) mostra chì u gradiente di temperatura radiale à u cristallu di sumente di a struttura 1 hè più grande, chì pò esse causatu da e diverse proporzioni di e diverse modi di trasferimentu di calore, chì aiuta à u cristallu cresce cù una interfaccia cunvexa. . In a Figura 2 (d), a temperatura in diverse pusizioni in u crucible mostra una tendenza crescente mentre a crescita avanza, ma a diferenza di temperatura trà a struttura 0 è a struttura 1 diminuisce gradualmente in a zona di materia prima è aumenta gradualmente in a camera di crescita.
Figura 2 Distribuzione di temperatura è cambiamenti in u crucible. (a) Distribuzione di a temperatura in u crucible di a struttura 0 (a manca) è a struttura 1 (a diritta) à 0 h, unità: ℃; (b) Distribuzione di temperatura nantu à a linea centrale di u crucible di a struttura 0 è a struttura 1 da u fondu di a materia prima à u cristallu di sumente à 0 h; (c) Distribuzione di a temperatura da u centru à a riva di u crucible nantu à a superficia di cristalli di sumente (A) è a superficia di materia prima (B), media (C) è fondu (D) à 0 h, l'assi horizontale r hè u U raghju di cristalli di sumente per A, è u raghju di l'area di materia prima per B ~ D; (d) Temperature cambia in u centru di a parti suprana (A), a superficia di materia prima (B) è u mediu (C) di a camara di crescita di a struttura 0 è a struttura 1 à 0, 30, 60 è 100 h.
A figura 3 mostra u trasportu di materiale in i tempi diffirenti in u crucible di a struttura 0 è a struttura 1. U flussu di materiale in fase di gasu in l'area di materia prima è a camera di crescita aumenta cù l'aumentu di a pusizione, è u trasportu di materiale si debilita cum'è a crescita avanza. . Figura 3 mostra dinù chì sottu à e cundizioni di simulation, a materia prima prima graphitizes nant'à u muru latu di u crucible è dopu à u fondu di u crucible. Inoltre, ci hè una recristalizazione nantu à a superficia di a materia prima è si sgrossa gradualmente mentre a crescita avanza. I figuri 4 (a) è 4 (b) mostranu chì u flussu di materiale in l'internu di a materia prima diminuisce mentre a crescita avanza, è u flussu di materiale à 100 h hè di circa 50% di u mumentu iniziale; in ogni modu, u flussu hè relativamente grande à u bordu per via di a grafitizazione di a materia prima, è u flussu à u bordu hè più di 10 volte quellu di u flussu in a zona media à 100 h; Inoltre, l'effettu di PG in a struttura 1 rende u flussu di materiale in l'area di a materia prima di a struttura 1 più bassu di quella di a struttura 0. In a Figura 4 (c), u flussu di materiale in l'area di materia prima è in a struttura 1. A camera di crescita si debilita gradualmente cum'è a crescita avanza, è u flussu di materiale in l'area di a materia prima cuntinueghja à diminuisce, chì hè causatu da l'apertura di u canali di flussu d'aria à a riva di u crucible è l'obstruczione di recristalizazione in cima; in a camera di crescita, u flussu di materiale di a struttura 0 diminuite rapidamente in l'iniziali 30 h à 16%, è solu diminuite da 3% in u tempu sussegwente, mentre chì a struttura 1 ferma relativamente stabile in tuttu u prucessu di crescita. Dunque, PG aiuta à stabilizzà u flussu di materiale in a camera di crescita. Figura 4 (d) paraguna u flussu di materiale à u fronte di crescita di cristalli. À u mumentu iniziale è 100 h, u trasportu di materiale in a zona di crescita di a struttura 0 hè più forte ch'è in a struttura 1, ma ci hè sempre una zona di flussu elevatu à a riva di a struttura 0, chì porta à una crescita eccessiva à u bordu. . A prisenza di PG in a struttura 1 supprime in modu efficace stu fenominu.
Figura 3 Flussu di materiale in u crucible. Streamlines (sinistra) è vettori di velocità (destra) di u trasportu di materiale di gas in strutture 0 è 1 in tempi diversi, unità di vettore di velocità: m/s
Figura 4 Cambiamenti in u flussu di materiale. (a) Cambiamenti in a distribuzione di u flussu di materiale in u mità di a materia prima di a struttura 0 à 0, 30, 60 è 100 h, r hè u raghju di a zona di materia prima; (b) Cambiamenti in a distribuzione di u flussu di materiale in u mità di a materia prima di a struttura 1 à 0, 30, 60 è 100 h, r hè u raghju di a zona di materia prima; (c) Cambiamenti in u flussu di materiale in a camera di crescita (A, B) è in a materia prima (C, D) di strutture 0 è 1 cù u tempu; (d) Distribuzione di u flussu di materiale vicinu à a superficia di cristalli di sumente di strutture 0 è 1 à 0 è 100 h, r hè u raghju di u cristallu di sumente.
C/Si affetta a stabilità cristallina è a densità di difetti di a crescita di cristalli SiC. A figura 5 (a) paraguna a distribuzione di u rapportu C / Si di e duie strutture in u mumentu iniziale. U rapportu C / Si diminuisce gradualmente da u fondu à a cima di u crucible, è u rapportu C / Si di a struttura 1 hè sempre più altu ch'è quellu di a struttura 0 in diverse pusizioni. I figuri 5 (b) è 5 (c) mostranu chì u rapportu C / Si aumenta gradualmente cù a crescita, chì hè liata à l'aumentu di a temperatura interna in a fase più tardi di a crescita, a rinfurzà a grafitizazione di a materia prima, è a reazione di Si. cumpunenti in a fase di gasu cù u crucible di grafite. In a Figura 5 (d), i rapporti C/Si di a struttura 0 è a struttura 1 sò assai diffirenti sottu à PG (0, 25 mm), ma ligeramente sfarente sopra PG (50 mm), è a diferenza aumenta gradualmente à l'avvicinamentu di u cristallu. . In generale, u rapportu C / Si di a struttura 1 hè più altu, chì aiuta à stabilizzà a forma di cristalli è riduce a probabilità di transizione di fase.
Figura 5 Distribuzione è cambiamenti di ratio C/Si. (a) Distribuzione di u rapportu C / Si in crucibles di struttura 0 (left) è struttura 1 (right) à 0 h; (b) Rapportu C / Si à diverse distanze da a linea centrale di u crucible di a struttura 0 à i tempi diffirenti (0, 30, 60, 100 h); (c) Rapportu C / Si à distanze diverse da a linea centrale di u crucible di a struttura 1 in tempi diffirenti (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparazione di u rapportu C/Si à diverse distanze (0, 25, 50, 75, 100 mm) da a linea centrale di u crucible di a struttura 0 (linea continua) è a struttura 1 (linea tratteggiata) in tempi differenti (0, 30, 60, 100 h).
A figura 6 mostra i cambiamenti in u diametru di particella è a porosità di e regioni di materia prima di e duie strutture. A figura mostra chì u diametru di a materia prima diminuite è a porosità aumenta vicinu à u muru di u crucible, è a porosità di u bordu cuntinueghja à aumentà è u diametru di particella cuntinueghja à diminuisce mentre a crescita avanza. A porosità massima di u bordu hè di circa 0,99 à 100 h, è u diametru minimu di particella hè di circa 300 μm. U diametru di particella aumenta è a porosità diminuite nantu à a superficia superiore di a materia prima, currispundenti à a recristalizazione. U gruixu di l'area di recristalizazione aumenta cum'è a crescita avanza, è a dimensione di particella è a porosità cuntinueghjanu à cambià. U diametru massimu di particella righjunghji più di 1500 μm, è a porosità minima hè 0,13. Inoltre, postu chì PG aumenta a temperatura di l'area di a materia prima è a supersaturazione di u gasu hè chjuca, u gruixu di recristalizazione di a parti suprana di a materia prima di a struttura 1 hè chjuca, chì migliurà a rata d'utilizazione di a materia prima.
Figura 6 Cambiamenti in u diametru di particella (a manca) è a porosità (a diritta) di l'area di materia prima di a struttura 0 è a struttura 1 in tempi diversi, unità di diametru di particella: μm
A figura 7 mostra chì a struttura 0 warps à u principiu di a crescita, chì pò esse ligata à u flussu di materiale eccessivu causatu da a grafitizazione di u bordu di a materia prima. U gradu di warping hè debilitatu durante u prucessu di crescita sussegwente, chì currisponde à u cambiamentu di u flussu di materiale in u fronte di a crescita di cristalli di a struttura 0 in Figura 4 (d). In a struttura 1, per via di l'effettu di PG, l'interfaccia di cristalli ùn mostra micca deformazione. Inoltre, PG rende ancu a crescita di a struttura 1 significativamente più bassa di quella di a struttura 0. U grossu centru di u cristallu di a struttura 1 dopu à 100 h hè solu 68% di quella di a struttura 0.
Figura 7 Cambiamenti di l'interfaccia di a struttura 0 è a struttura 1 cristalli à 30, 60 è 100 h
A crescita di cristalli hè stata realizata in e cundizioni di prucessu di simulazione numerica. I cristalli cultivati da a struttura 0 è a struttura 1 sò mostrati in Figura 8 (a) è Figura 8 (b), rispettivamente. U cristallu di a struttura 0 mostra una interfaccia cuncava, cù ondulazioni in l'area cintrali è una transizione di fasa à u bordu. A convexità di a superficia rapprisenta un certu gradu di inhomogeneità in u trasportu di materiali in fase di gasu, è l'occurrence di transizione di fasa currisponde à a bassa ratio C / Si. L'interfaccia di u cristallu cultivatu da a struttura 1 hè ligeramente cunvexa, ùn si trova nisuna transizione di fase, è u grossu hè 65% di u cristallu senza PG. In generale, i risultati di a crescita di cristalli currispondenu à i risultati di simulazione, cù una differenza di temperatura radiale più grande à l'interfaccia di cristalli di a struttura 1, a crescita rapida à u bordu hè suppressa, è u flussu di materiale generale hè più lento. A tendenza generale hè coherente cù i risultati di simulazione numerica.
Figura 8 Cristalli SiC cultivati sottu a struttura 0 è a struttura 1
Cunclusioni
PG hè favurèvule à a migliione di a temperatura generale di l'area di a materia prima è a migliione di l'uniformità di a temperatura assiale è radiale, prumove a sublimazione piena è l'utilizazione di a materia prima; a diffarenza di temperatura in cima è in fondu aumenta, è u gradiente radiale di a superficia di cristalli di sumente aumenta, chì aiuta à mantene a crescita di l'interfaccia cunvexa. In quantu à u trasferimentu di massa, l'intruduzioni di PG riduce a velocità di trasferimentu di massa generale, u flussu di materiale in a camera di crescita chì cuntene PG cambia menu cù u tempu, è tuttu u prucessu di crescita hè più stabile. À u listessu tempu, PG inibisce ancu in modu efficace l'occurrence di trasferimentu di massa eccessiva. Inoltre, PG aumenta ancu u rapportu C / Si di l'ambienti di crescita, in particulare in u fronte di l'interfaccia di cristalli di sementi, chì aiuta à riduce l'occurrence di cambiamentu di fasa durante u prucessu di crescita. À u listessu tempu, l'effettu di l'insulazione termale di PG riduce l'occurrence di recristalizazione in a parti suprana di a materia prima in una certa misura. Per a crescita di cristalli, PG rallenta u ritmu di crescita di cristalli, ma l'interfaccia di crescita hè più cunvexa. Dunque, PG hè un mezzu efficace per migliurà l'ambiente di crescita di cristalli SiC è ottimisà a qualità di cristalli.
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